Классификация современных конструкционных полимеров

 

Содержание

 

 

 

 

Введение

К неметаллическим материалам на основе природных или синтетических полимеров, пригодных для изготовления деталей, приборов, машин, различных изделий и сооружений относят и термопластичные конструкционные полимеры. В последние годы широкое использование современных конструкционных полимерных материалов находит в таких отраслях промышленности как автомобилестроение и авиастроение, космическая и судостроительная отрасли. 

  При разработке изделий для машиностроения или приборостроения широкое применение конструкционных пластиков зачастую сдерживается из-за отсутствия информации о полном комплексе характеристик новых конструкционных пластиков, о их поведении в различных трибологических системах, хотя их применение при изготовлении изделий для машиностроения существенно расширит область и условия эксплуатации, повысит ресурс работы изделия, узла, механизма или конструкции.

1. Классификация современных конструкционных полимеров

Современные высокоэффективные пластики подразделяются на конструкционные, с температурой плавления от 100 °С до 150 °С и суперконструкционные, с температурой плавления свыше 150 °С.

К конструкционным пластикам относят полимеры на основе полиоксиметилена, поликарбоната, полиамида, полибутилентерефталата, полиэтилентерефталата, СВМПЭ, полиэфиркетона, полиамидимида и ряда других полимеров.

К суперконструкционным пластикам относят полимеры на основе полифениленсульфида, полиэриловых эфир сульфонов, полиэфир имидов, жидкокристаллические полимеры и длинноволоконные термопласты.

Все эти пластики еще подразделяются на аморфные и частично кристаллические, что необходимо учитывать при технологии переработки материалов.

Применение таких пластиков при производстве технических изделий обеспечивает для изделий:

• температурную и размерную устойчивость и соответственно возможность использования в широком  температурном диапазоне;
• возможность снижения массы конструкций при ее высокой прочности;
• высокий уровень безопасности по электрической прочности, трекингостойкости, дугостойкости);
• высокий уровень стойкости к УФ излучению;
• возможность использования красителей для создания цветовой гаммы для изделий.

Такие полимеры могут быть и наполненными с целью получения заданных характеристик ударопрочность, негорючесть или других и как правило, в качестве таких материалов в них вводят стекловолокно, стеклянную дробь, различные другие минеральные наполнители и добавки.

2. Применение распространенных конструкционных полимеров

Конструкционные пластмассы могут применяться в узлах и деталях, как фрикционного, так и антифрикционного назначения. Эксплуатационные свойства изделий из таких материалов определяются их триботехническими характеристиками, такими как коэффициенты трения, износостойкость трущихся рабочих поверхностей, наличие между ними смазывающей среды.

При этом поведение конструкционного материала в каждом конкретном изделии определяется всей совокупностью факторов, образующейся трибосистемы, и необходимо при выборе материала исходить как из условий взаимодействия и состояния трущихся поверхностей, так и основных режимов трения:

• трение по сухим, необработанным поверхностям, при котором между двумя соприкасающимися поверхностями полностью отсутствует промежуточная фаза;
• трение чистых сухих поверхностей. Коэффициент трения таких поверхностей достаточно велик и в общем случае определяется типом и свойствами их окисных пленок;
• переходное граничное трение, характеризуется наличием между трущимися поверхностями очень тонкого слоя промежуточной (третьей) фазы (сухой смазки);
• чисто граничное трение, наблюдается, когда тонкий слой третьей фазы (смазки), разделяющей трущиеся поверхности, находится в границах их влияния на смазочное вещество;
• режим трения, пограничный между граничным и гидродинамическим;
• чисто гидродинамическое трение, наблюдается при наличии между трущимися поверхностями промежуточного слоя смазки, зависит от вязкости смазки, гидродинамики ее течения.

Поэтому к основным требованиям, предъявляемым к фрикционным полимерным материалам можно отнести необходимый уровень и стабильность сохранения коэффициента трения и износостойкости, независимость режима и характера трения от условий эксплуатации, необходимые физико-механические и теплофизические свойства, материал должен хорошо прирабатываться к контртелу и не схватываться с ним.     

  К дополнительным требованиям можно отнести технологичность переработки, экологическую чистоту, доступность сырьевой базы и приемлемую стоимость.

Наиболее распространенными термопластичными антифрикционными материалами являются полиамиды, полиэтилен и полипропилен.

 

3. Полиамиды

Эти материалы имеют как положительные характеристики, так и недостатки.

Наряду с достаточно низким коэффициентом трения (коэффициент трения по стали без смазки 0,1–0,2, со смазкой маслом — в пределах 0,05–0,10), они достаточно износостойкие, способны работать в интервале температур от –40 до +80°С (ПА) и до +60°С (ПЭ и ПП).

К недостаткам полиамидов можно отнести невысокую теплопроводность, низкую несущую способность. Полиамиды не обладают стойкостью по отношению к маслу и влаге.

Для улучшения физико-механических характеристик полиамиды армируют волокнистыми материалами (например, стекловолокном, углеродным волокном и т. д.), для улучшения антифрикционных свойств в полимер вводят твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, и т. д.). Они могут применяться как в чистом виде, так и модифицированные добавками и наполнителями.

Полиолефины свыше температуры +60°С из-за невысокой теплопроводности в нагруженном режиме работать не могут. Это ограничивает область их применения в качестве антифрикционных материалов. Для повышения работоспособности будущих изделий в полимер также вводят армирующие наполнители, повышающие его прочность, а также добавки, снижающие коэффициент трения, износ и температуру в зоне трения. При этом коэффициент трения у модифицированных полиолефинов может быть ниже 0,1. Компоненты, добавляемые к такой композиции, стандартны, однако существенно повысить температурную работоспособность материала можно только на 15- 20%) и такие материалы применяют в слабонагруженных узлах, работающих в относительно мягких условиях эксплуатации.

Появление на рынке сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с высокими физико-механическими характеристиками расширило его применение в тех областях, где обычные марки ПЭ и других термопластов не выдерживают жестких условий эксплуатации.

Сверхвысокомолекулярным принято считать полиэтилен с молекулярной массой более 1,5•106. СВМПЭ характеризуется линейной структурой макромолекул, практически не имеющих боковых ответвлений.

Механические свойства СВМПЭ обусловлены его молекулярными характеристиками – высокой линейностью макромолекул, высокой молекулярной массой и отсутствием низкомолекулярных фракций. СВМПЭ по многим показателям превосходит другие марки полиэтилена, а также некоторые другие полимеры. Уникальные технические характеристики СВМПЭ начинают проявляться у полимера с молекулярной массой 3,5•106.

К основным эксплуатационным характеристикам СВМПЭ следует отнести его чрезвычайно высокую ударную вязкость, высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, стойкость к растрескиванию, химическую стойкость, а также стабильность этих показателей в широком диапазоне температур от -200°С до +90°С.

В машиностроении СВМПЭ используется при изготовлении втулок, шестерен, опор, подпятников, подшипников, клапанов, поршней, крыльчаток насосов и др.)

Несмотря на явные преимущества СВМПЭ и изделий из него по целому ряду механических показателей, этот материал не лишен серьезных недостатков. Одним из них остается сравнительно низкая теплопроводность полимера, не позволяющая эффективно осуществлять формование массивных изделий из СВМПЭ методом горячего прессования. В результате неполного прогрева внутреннего объема изделия может наблюдаться недостаточное спекание частиц СВМПЭ, и как следствие, потеря прочности массивных деталей.

Следующим недостатком СВМПЭ являются существенные усадки при формовании изделий методом горячего прессования, следует отметить и повышенную горючесть СВМПЭ (как и других полиэтиленов).

Наполнители, как правило, позволяют избежать технологических усадок при формовании. Неорганические наполнители позволяют заметно понизить и горючесть материала. Кроме этого, правильным подбором наполнителей можно регулировать такие характеристики материала, как твердость, износостойкость, модуль упругости, ползучесть, ударная вязкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения. Также, значительным фактором при производстве значительных объемов продукции является снижение себестоимости материала за счет использования более дешевых по сравнению с основным полимером инертных наполнителей.

Все более широкое применение находят новые марки полиамида на основе ПА 66 и в сравнении с ПA6, этот материал более плотный и жесткий, но также и более хрупкий. Обычно ПА 66 используют вместо ПА 6, когда требуется более высокая плотность и жесткость материала в ущерб упругости. ПА 66 имеет высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, поэтому для скользящих деталей не требуется смазка. Материал имеет очень высокое растягивающее напряжение и прочность на сжатие, а вязкость материала более высокая, чем у полиамида 6.Однако к недостаткам следует отнести гигроскопичность материала и недостаточную маслостойкость, что может привести к изменению его механических и электрических свойств, геометрических размеров изделий. Обычно ПА 66 различных марок применяют при производстве зубчатых колес, эксцентриков, шкивов, малоизнашивающихся направляющих, колес и механических деталей.

Марка полиамида PA4T (DSM), позволяет получить размерную стабильность, совместимость для бессвинцовой пайки, высокую жесткость и механическую прочность при повышенных температурах и находит применение в автомобильных электрических системах, воздушно/топливных, и трансмиссионных компонентах. Компания BASF Торговая марка Ultramid High Speed PA 66 (BASF) имеет текучесть, увеличенную на 100% за счет включения наночастиц и включение наночастиц также повышает устойчивость к термическому старению при высоких температурах. Марка Ultramid A3XZG5 (BASF) за счет введения cпециальных добавок имеет класс огнестойкости V0, что также расширяет сферу применения полиамидов на основе ПА 66.

Новые марки ПА 66 предназначены для крупных компонентов в отсеке двигателя, таких как корпуса головок цилиндров или торцевые заглушки системы охлаждения, что дает возможность как для уменьшения массы, так и для выполнения требований по горючести материала. Для изделий, работающих в тяжелых условиях эксплуатации все более широкое применение находит полиоксиметилен (ПОМ). Материал обладает высокими механическим характеристикам, стойкостью к воздействию влаги и масла, высокой усталостной прочностью, ударопрочностью, в том числе ми при низких температурах, хорошей стабильностью размеров изделий, низким коэффициентом трения. В сравнении с ПА 6 ПОМ имеет более низкое сопротивление истиранию.

Из ПОМ изготавливают подшипники, эксцентрики, зубчатые передачи с низким вращающим моментом, зубчатые колеса, конвейерные ролики и детали с точной обработкой, требующие хороших параметров формоустойчивости и плотности. Изделия из ПОМ могут использоваться в воде при температуре 80° C.

Так как материал не гигроскопичен, он обычно используется для таких электрических деталей, как изоляторы, а благодаря своим хорошим химическим свойствам он подходит для изготовления из него деталей насосов, фланцев и комплектующих для химического оборудования.

Основное применение ПОМ:

- в автомобилестроении - детали механизма ремней безопасности, механизм сидений, стеклоподъемники, люки, регулировка отопления, решетки  вентиляции, дверные замки, датчик  уровня топлива, топливный насос, отделитель воды, корпус распределителя, крышка бензобака, сетки и решетки  динамиков, направляющие стеклоподъемника, шестерни,

- в производстве электроприборов- корпуса, шестерни, соединительные  элементы, подшипники,

- в машиностроении - шнековые  приводы, ролики конвейеров, держатели, буксы, подшипники скольжения, детали  конвейерных цепей,

- в электронной промышленности - клавишные блоки телефонов, корпуса  катушек, выключатели, пружинные элементы, якорные носители, видеокассеты, аутсертные  платы,